(57)【要約】  適度な面積抵抗と高い磁気抵抗比を有する磁気抵抗素子を実現する。このため、固定層と自由層との間の中間層に、L21 構造、B2構造、A2構造、C1b 構造又はB1構造の少なくともいずれか一つの構造を有する半金属を使用する。これにより、固定層や自由層との格子整合性に優れる均一な中間層を形成することができる。また、中間層を透過可能な電子を半金属層の積層構造及びドーピングによって制御する。これにより、高い磁気抵抗比と、金属に比べて高い面積抵抗とを実現することができる。
2011122078.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が一方向に固定された強磁性体を含む固定層と、
磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性体を含む自由層と、
前記強磁性固定層と前記強磁性自由層との間に一層以上の中間層とを有し、
前記中間層の少なくとも一層以上が、全体的に又は部分的にL21 構造、B2構造、A2構造、C1b 構造又はB1構造の少なくともいずれか１つの構造を有する半金属層である
ことを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気抵抗素子において、
前記半金属層に、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu、Ti、Zr、Hf、Cr、Mo、W、Mn、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、V、Nb、Taから選ばれる少なくとも１種類以上の元素が合計30〜80原子％の範囲で含まれる
ことを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項３】
請求項２に記載の磁気抵抗素子において、
前記中間層が、前記固定層又は前記自由層と半金属化合物層との間に、構成元素の組成に勾配を有する層を含んだ複合中間層である
ことを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項４】
請求項２に記載の磁気抵抗素子において、
前記中間層が、構成元素及び組成が異なる半金属層を少なくとも２層以上の多層構造とした複合中間層である
ことを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項５】
請求項１に記載の磁気抵抗素子において、
前記中間層の少なくとも１層以上の半金属層が、Fe-V-Al、Fe-Ti-Si、Mn-V-Sb、Ru-V-Alから選ばれる三元素を主成分とする
ことを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項６】
請求項１に記載の磁気抵抗素子において、
前記中間層が、1nm以上10nm以下である
ことを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項７】
磁気ディスクと、
前記磁気ディスクを駆動するモータと、
前記磁気ディスクに情報を記録する記録ヘッドと、
前記磁気ディスクから情報を再生する再生ヘッドと、
前記情報を処理する信号処理回路とを有し、
前記再生ヘッドを構成する磁気抵抗素子が、
磁化方向が一方向に固定された強磁性体を含む固定層と、
磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性体を含む自由層と、
前記固定層と前記自由層との間に一層以上の中間層とを有し、
前記中間層の少なくとも一層以上が、全体的に又は部分的にL21 構造、B2構造、A2構造、C1b 構造又はB1構造の少なくともいずれか１つの構造を有する半金属層である
ことを特徴とする磁気ディスク装置。
【請求項８】
記憶素子がマトリクス配置される磁気抵抗記憶装置において、
前記記憶素子は、ビット線に接続される磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子と主電極の一方が接続され、主電極の他方が接地され、制御電極がワード線に接続されるトランジスタ素子とで構成され、
前記磁気抵抗素子が、
磁化方向が一方向に固定された強磁性体を含む固定層と、
磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性体を含む自由層と、
前記固定層と前記自由層との間に一層以上の中間層とを有し、
前記中間層の少なくとも一層以上が、全体的に又は部分的にL21 構造、B2構造、A2構造、C1b 構造又はB1構造の少なくともいずれか１つの構造を有する半金属層である
ことを特徴とする磁気抵抗記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、適度な面積抵抗と高い磁気抵抗比を有する磁気抵抗素子に関する。本発明に係る磁気装置には、例えば磁気抵抗素子を再生ヘッド、当該再生ヘッドに適用した磁気ディスク装置、磁気抵抗素子を記憶素子に利用する磁気抵抗記憶装置、磁気抵抗素子を搭載する磁気方位センサを含む。
【背景技術】
【０００２】
ハードディスク駆動（HDD: Hard Disk Drive）装置の再生ヘッドには、巨大磁気抵抗（GMR: Giant Magneto Resistive）効果ヘッドやトンネル磁気抵抗（TMR: Tunnel Magneto-Resistance）効果ヘッドが用いられている。HDD装置の高密度化に伴い、さらなる高感度な磁気抵抗効果ヘッドが求められている。一般に、磁気抵抗効果ヘッドは、基体側から順番に反強磁性層/固定層/非磁性中間層/自由層を積層した構造を有している。固定層は、反強磁性層との交換結合により磁化を固定する層である。自由層は外部の磁界に応答する層である。自由層が磁化反転することで固定層と自由層の相対的な磁化方向が変化する。磁気抵抗効果ヘッドは、磁化方向が変化する時の電気抵抗の変化により、外部磁場を検出する。【０００３】
現在まで、電流を流す方向が膜面に対して平行な再生ヘッド、すなわちCIP(Current-in-plane)方式の再生ヘッドがこれまで多く実用化されてきた。近年、再生ヘッドの更なる高感度化に向け、膜面に対して垂直に電流を流すCPP(Current-Perpendicular-to-plane)方式の再生ヘッドや中間層を絶縁体としてトンネル電流を用いるトンネル磁気抵抗(TMR: Tunneling Magneto-resistance)効果を用いた磁気抵抗効果ヘッドの研究開発が行われている。【０００４】
TMRヘッドは、絶縁層にMgOを適用することにより、飛躍的に磁気抵抗(MR)変化率が向上する。例えば面積抵抗が2.1Ωμm2程度の素子の場合、MR変化率は206%もの値が得られる（非特許文献１）。しかし、TMRヘッドは、トンネル接合に絶縁体を使用する。このため、出力が高い反面、その抵抗の高さが速転速度の高速化に際して不利に作用する。このため、更なる低抵抗化が必要とされている。【０００５】
一方、CPP-GMRヘッドは、２層の磁性層の間に、数nm程度の極薄の金属層（Cuなど）を形成する構造を採用し、膜面に対して垂直に電流を流す。このため、この種のヘッドでは、nm程度の間隔で発生する非常に小さい抵抗変化を検出する必要がある。結果的に、MR変化率が小さく、非常に出力が小さい問題がある。また、抵抗値が非常に小さい場合、スピントルクノイズの影響を受ける。このため、抵抗値をある程度まで大きくすることが課題となっている。【０００６】
このように抵抗値が非常に小さいCPP-GMR素子の問題の解決には、例えば素子構造を多層化することが考えられる。多層化により、MR変化率を大きくすることができる。その一方で、磁気ヘッドの分解能を高めるには、狭リードギャップ化が必要である。このため、各素子を単純に多層化する構造は問題の解決に適さない。【０００７】
また、CPP-GMRの中間層を非磁性金属と絶縁体の複合層とし、絶縁体中に電気抵抗の低いピンホールを有する構造が提案されている。以降、ピンホールを有する絶縁層をスクリーン層と呼ぶ。このスクリーン層を用いて電流を絞り込めば、高い出力を得ることができる。しかし、スクリーン層を適応したCPP-GMRは、出力が高くなる反面、スクリーン層内のピンホールを制御することが困難となる問題がある。スクリーン層内に存在するピンホールの大きさやその数により、抵抗値にばらつきが出るためである。しかも、素子サイズを小さくするのに伴い、そのばらつきは顕著となり、実用上問題となる。また、スクリーン層内では、流れる電流が絞り込まれ、ピンホール内にのみ大きな電流密度の電流が流れることになる。電流密度が高くなると熱が発生し、マイグレーションが発生し、素子劣化の原因ともなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２８３１９４号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Appl.Phys.Lett.,93,192109(2008)
【非特許文献２】Jpn. J.Appl. Phys.,43,540(2004)
【非特許文献３】J.Mag.Mag.Mat.,316,481(2007)
【非特許文献４】Phys. Rev. B,66,174429(2002)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述したように、中間層として絶縁体を用いるTMRは低抵抗化が必要であり、中間層に金属を用いるCPP-GMRは高抵抗化が必要となる。このため、発明者は、これら２つの材料の中間的な特性を有する材料を中間層に適用することが望ましいとの考えに至った。【００１１】
絶縁体と金属の中間の電気伝導率特性を示す材料として、Sb、Biのような半金属（セミメタル）が存在する。半金属は、図３(a)に示すように、フェルミエネルギーＥＦ が、価電子帯（図中、上に凸の放物線で示す。）の最上部と、伝導帯（図中、下に凸の放物線で示す。）の最下部を横切る電子状態を有している。半金属は、その電子状態を金属と比較すると、フェルミレベルにおける電子状態が非常に少ないことが特徴である。金属のキャリア密度（1021〜1022 cm-3）と比較すると、半金属のキャリア密度は1018〜1020 cm-3オーダー程度である。このように、半金属は、キャリア密度が低い材料系として知られている。このような半金属を中間層に用いるCPP-GMR構造を開示する文献として非特許文献２がある。非特許文献２には半金属の計算モデルが示されており、Sb、Bi、FeSi、CoSiが提案されている。【００１２】
しかし、BiやSbは菱面体構造、FeSiはB20型構造という複雑な構造を有している。このため、一般的な強磁性金属であるFe,Co,Ni（fcc構造やbcc構造など）に対して格子整合性が悪い。また、Bi等の材料は融点が非常に低い（融点：271℃）材料であり、他の材用との合金化やマイグレーションによる劣化も懸念される。【００１３】
本発明では、固定層及び自由層との格子整合性に優れるだけでなく均一性にも優れ、かつ、適度な面積抵抗と高い磁気抵抗比を有する中間層で構成される高感度な磁気抵抗素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明においては、以下の層構造を有する磁気抵抗素子を提供する。【００１５】
(1) 磁化方向が実質的に一方向に固定された強磁性の固定層
(2) 磁化方向が外部磁場に対応して変化する強磁性の自由層
(3) 固定層と自由層の間に形成される中間層
ここで、中間層を、L21 (フルホイスラー)構造、B2(CsCl-type)構造、A2構造、C1b (ハーフホイスラー)構造又はB1(NaCl-type)構造を有し、かつ、半金属的伝導特性（1018〜1020 cm-3オーダーのキャリア密度）を有する元素組成の化合物材料で形成する。
【発明の効果】
【００１６】
半金属層に、L21 構造、B2構造、A2構造、C1b 構造又はB1構造のような結晶構造を有する半金属を用いることにより、強磁性ホイスラー合金、bcc構造又はfcc構造の強磁性金属と整合性の良い固定層/中間層/自由層の三層構造を実現することが可能となる。【００１７】
図１に、L21 構造(図１(a)）、B2構造(図１(b)）、A2構造(図１(c)）、C1b 構造(図１(d)）及びB1構造(図１(f)）の模式図を示す。これら構造の半金属は、BiやSbなどの菱面体構造の半金属に比べ、FeやFeCo合金などの強磁性金属やホイスラー強磁性合金との格子整合性を劇的に改善する。【００１８】
例えば強磁性金属がbcc構造のFe、半金属中間層がL21 構造のFe2VAlの例を検討する。Fe2VAlの格子定数はaFVA＝5.761Åであり、格子定数aFe＝2.866ÅのFeの格子定数の約２倍である。Feは図１(e)に示してあるbcc構造である。このbcc構造を３次元的に２倍の周期にすると、図１(c)に示すA2構造と同じものになる。そのため、図１(a)に示すL21 構造との格子定数の違いはわずか0.5％程度となる。このことから、格子整合性が良いことが分かる。また、Fe2VAlのFeの一部をRuに、Vの一部をNbというように周期律表における同族元素で置換すれば、格子定数を変化させることも可能である。例えば強磁性金属との整合性を考慮し、中間層の格子定数を調整することが可能である。【００１９】
また、強磁性金属層をCoやNiの合金とし、強磁性金属を強磁性ホイスラー合金Co2MnSiやD03構造のFe3Siとする場合においても、格子整合性の良い中間層と組み合わせることにより、極めて格子整合性の良い構造を作製できる。【００２０】
格子整合性の良い構造を採用することにより、界面が存在する多層構造の場合においても、電子のコヒーレント伝導が維持され、電子の持つスピン自由度に起因した磁気抵抗も発現し易くなる。本発明に係る磁気抵抗素子は、整合性の良い固定層/中間層/自由層の三層構造を形成できるため、高いMR比を実現することができる。【００２１】
また、本発明で提案する層構造の採用により、フェルミレベルにおける電子状態が金属に比べて少ない半金属層の影響により、中間層を透過可能な電子が制限される。以下では、半金属層がFe2VAlの場合について、電子の透過を制限可能であることを説明する。【００２２】
図２に第一原理計算によって得られたFe2VAlのバンド構造を２次元面に射影した構造を示す。Fe2VAlのバンド構造を２次元に射影した状態図によれば、波数空間における状態が非常に少ないことが分かる。また、非特許文献３等に示されているように、２つの電極間に中間層が存在する三層構造のデバイスにおける電子の透過率は、波数に依存する透過率の平均値で与えられ、以下の式１で表される。
【数１】
2011122078.tif 000003
【００２３】
ここで、Tσ は系の透過率であり、Tkσ は波数(kx,ky)に依存する透過率であり、εはエネルギーであり、σはスピン自由度であり、aは結晶の格子定数である。【００２４】
従って、波数空間における状態数が非常に少ないFe2VAlを中間層に用いる場合、その電子状態の影響により、透過率が非常に少なくなる。そのため、本発明の構造では、通常の金属を中間層に用いる場合に比べて電子の透過率を劇的に小さくでき、平均自由行程以下の厚さ（数nm程度）の極薄膜においても面積抵抗を十分に高くすることができる。一方、絶縁体を中間層とした場合（TMRの場合）、膜厚の増加に対して指数関数的に電子の透過率が減少する。このため、半金属と同等の面積抵抗値を実現するには１nm以下の極薄膜を実現しなければならない。一方、半金属を中間層に用いる場合、絶縁体のようにフェルミレベルに状態が存在しない材料とは大きく性質が異なり、絶縁体の膜厚が１nm以下相当の小さな面積抵抗値を容易に実現できる。このように本発明の場合には、適度な面積抵抗と高MR比を実現できる。従って、本発明に係る磁気抵抗素子を磁気ヘッドに用いる場合、分解能向上に必要な狭リードギャップ要求を満たす構造を容易に形成することができる。【００２５】
図３(a)に半金属のバンド構造の模式図に示す。図３(a)に示すように、半金属は、フェルミレベル近傍にわずかながら価電子帯及び伝導帯の状態を有している。半金属の伝導特性は、ドーピングによりそのバンド構造やフェルミレベルの位置が影響を受け易い。このため、ドーピングにより半金属の伝導特性を容易に変化させることができる。この際、同族元素などの性質の似た元素をドーピングすれば、図３(b)、(c)に示すようにフェルミレベルを固定したまま、バンド構造だけを変化させることができる。結果的に、フェルミレベルにおける状態数を増減することができる。これに対し、価電子数の異なる元素をドープすれば、図３(d)、(e)に示すように、バンド構造を固定したまま、ホール又は電子のキャリア密度を変化させることができる。すなわち、フェルミレベルだけを変化させることができる。このようにしても、フェルミレベルにおける状態数を増減することができる。いずれのドーピング手法を用いる場合にも、フェルミレベル近傍の状態を制御でき、透過に寄与する状態を変調させて面積抵抗を調整することができる。【００２６】
また、半金属中間層を有する構造においては、スクリーン層のようなピンホール構造を形成することなく電流を適度に絞ることができる。なお、半金属を中間層に用いる場合、均一な薄膜を用いることができるため、スクリーン層のようなピンホールに起因する高電流密度領域も存在せず、熱の発生やエレクトロマイグレーションも抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】L21 構造、B2構造、A2構造、C1b 構造、単純なbcc構造、B1構造（NaCl型）の模式図。
【図２】Fe2VAlのフェルミレベルにおけるバンド構造を２次元波数空間に射影した図。
【図３】半金属バンド構造およびドーピングによる半金属バンド構造の変化を示す模式図。
【図４】CPP-GMRの主要部分の断面構造例を示す図。
【図５】濃度勾配層中のFe原子濃度分布の変化を説明する図。
【図６】実施例におけるCPP-GMRの主要部分の断面構造例を示す図。
【図７】磁気ディスク装置の概略構成例を示す図。
【図８】磁気抵抗記憶装置の概略構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面に基づいて、発明の実施の形態を説明する。なお、後述する形態例はいずれも一例である。
【００２９】
（半金属層）
以下に、本発明の主要な特徴である半金属層の結晶構造と具体的な化合物の関係を示す。
【００３０】
L21 構造(フルホイスラー)を有する半金属には、例えばFe2VAl、Fe2NbAl、Ru2VAlがある。フルホイスラー合金はSlater-Pauling的な振る舞いを示すことが知られている（非特許文献４）。このため、表１に示す価電子数と元素の関係を用いてFe2VAlの総価電子数を計算すると、8×2＋5×1＋3×1＝24となる。
【表１】
2011122078.tif 000004
【００３１】
ここで、X'2Y'Z'の化学量論組成の総価電子数が24であるものは、全て類似の性質を示すことが予想できる。例えばFe2TiSiも同様の性質を有する。従って、この形態例に係る半金属の場合であれば、表１に示す価電子数と元素の関係から総価電子数が24の近傍となる組成の化合物であれば、いずれの化合物も用いることができる。基本的には、半金属層として、規則正しい構造であるL21 構造を有する化合物を用いることが望ましい。もっとも、L21 構造に原子的な乱れが生じ、規則度の低下したB2構造や元素による区別がないA2構造を有する化合物を、半金属層として用いることも可能である。この場合、半金属層には、少なくとも１種類以上の遷移元素が合計で約75原子％の範囲で含まれる。
【００３２】
C1b 構造を有する半金属には、例えばMgAgAs、NiTiSn、CoTiSb、FeVSb、ZrNiSn、ZrCoSbの近傍の組成を有するハーフホイスラー合金がある。これら以外にも、ハーフホイスラー合金は、フルホイスラー合金と同様にSlater-Pauling的な振る舞いを示し、FeVSbと同数程度の総価電子数となる化合物は全て類似の性質を示すことが予想できる。
【００３３】
例えばFeVSbの総価電子数は、表１に示す価電子数と元素の関係から、8×1＋5×1＋5×1＝18となる。すなわち、X’Y’Z’の化学量論組成の総価電子数が18である。電子状態の類似性の観点より、表１に示す価電子数がと元素の関係から総価電子数が18の近傍となる組成の化合物は、いずれも半金属的な性質を期待できる。従って、C1b 構造を有する半金属層として、総価電子数が18近傍となる組成を満たす化合物を用いることができる。また、C1b 構造を有する半金属層として、表１に明記していない元素であるアルカリ金属の価電子数を１、アルカリ土類金属の価電子数を２とすると、総価電子数が18となるMgAgAsのような組成の化合物も用いることもできる。この場合、半金属層内には、少なくとも１種類以上の遷移元素が合計で約33〜約66原子％の範囲で含まれる。
【００３４】
B1構造を有する半金属には、例えばScSb1-αAsα(0.0≦α≦1.0)、YSb1-αAsα(0.0≦α≦1.0)、LnSb1-αAsα（Lnはランタノイド：La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu）、（0.0≦α≦1.0）がある。この場合、半金属層には、少なくとも１種類以上の遷移元素が合計で約50原子％の範囲で含まれる。
【００３５】
発明に係る磁気抵抗素子の場合、半金属層へのドーピングにより、半金属層における電子の透過率を制御することができる。本発明における半金属層へのドーピングに関して説明する。
【００３６】
本発明におけるL21 構造、B2構造、A2構造を有する半金属層は、X'2Y'Z'の化学量論組成において、表１に示す価電子数の計算より総価電子数24となる場合が基本となる。例えば総価電子数を一定にするドーピング手法が挙げられる。ここでは、Fe2VAlを例に説明する。例えば総価電子数が一定となるようにV(バナジウム)原子の一部をNb原子に置換する。例えばFe2V0.8Nb0.2Alとした場合の総価電子数は24であり、総価電子数に変化はない。
【００３７】
しかし、Nb原子をドープした後の化合物のフェルミレベル近傍の電子状態は変化し、電子の透過率に寄与する電子状態を制御できる。また、V(バナジウム)原子の一部を原子半径の異なる元素に置換すれば格子定数は変化し、そのドープ量の調整により格子定数を制御することができる。上記の例の場合、X'2Y'Z'におけるY’を価電子数が同数の元素で置換する方法を示したが、元素X’や元素Z’を置換することもできる。
【００３８】
C1b 構造を有する半金属層では、X'Y'Z'の化学量論組成において、表１に示す価電子数の計算より総価電子数が18となる場合が基本となる。従って、L21 構造と同様に、C1b 構造では、X'Y'Z'を価電子数が同数の元素によって置換することができる。
【００３９】
この他、総価電子数を僅かに変化させるドーピング手法が挙げられる。ここでも、Fe2VAlを例に説明する。例えば総価電子数がわずかに変化するように、V(バナジウム)原子の一部をTi原子に置換する場合を考える。置換後の組成がFe2V0.8Ti0.2Alの場合、総価電子数は23.8となる。この結果、フェルミレベル近傍の電子状態が変化し、電子の透過率を制御することができる。
【００４０】
なお、上記の例においては、X'2Y'Z'における元素Y’を価電子数が同数の元素で置換する方法を示したが、元素X’や元素Z’を置換することもできる。この総電子数が24より大きくずれると、非磁性金属又は強磁性金属的な性質となり、半金属的な伝導特性が得られなくなる。従って、総価電子数が23.5〜24.5の範囲になるようにドーピングすることが望ましい。例えばドーピング前の総価電子数に対し、ドーピング後の総価電子数が約±0.5の変化幅又は約２％の変化幅の範囲に収まることが望ましい。
【００４１】
同様に、C1b 構造を有する半金属層では、X’Y’Z’の各元素を価電子数の異なる元素に置換することにより、総価電子数が18近傍の17.8〜18.2の範囲となるようにドーピングすることが望ましい。例えばドーピング前の総価電子数に対し、ドーピング後の総価電子数が約±0.2の変化幅又は約１.１％の変化幅の範囲に収まることが望ましい。
【００４２】
また、B1構造を有する半金属（例えばScSb1-αAsα、YSb1-αAsα、LnSb1-αAsα(0.0≦α≦1.0)に対するドーピングには、例えばMg、Ca、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、C、Si、Ge、Sn、N、P、O、S、Se、Teの少なくとも１種類を用いることが望ましい。ドーピングは０〜30原子％程度の量とすることが望ましい。
【００４３】
以上より、半金属層には、少なくとも１種類以上の遷移元素が合計約30〜80原子％の範囲で含まれることが望ましい。
【００４４】
（強磁性層）
本発明の場合、強磁性層の材料には特に制限は無い。従って、強磁性層には、例えばFe,Co,Niのような強磁性金属及びその合金、FeCoBを用いることができる。また、強磁性層に、例えばCo2MnAs、Co2MnSi、Co2FeSi、Ru2MnSi、Mn2VAlのようなスピン偏極率の強磁性ホイスラー合金を用いると、格子整合性の良い構造が形成可能となる。
【００４５】
（磁気抵抗素子の構造例）
図４(a)に示すように、前述した半金属及びこれに他の金属をドーピングした半金属層２０を、強磁性固定層２１０及び強磁性自由層２００の中間に積層すればCPP-GMR構造を作製することができる。なお、強磁性固定層とは、磁化方向が一方向に固定された強磁性体を含む層をいう。また、強磁性自由層とは、磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性体を含む層をいう。
【００４６】
（複合半金属層）
以下、固定層と自由層の中間層に用いることが可能な複合半金属層に関して説明する。
【００４７】
前述したように、半金属層へのドーピングにより、半金属層の性質を変化させることができる。その際、性質の異なる半金属層を多層構造に積層して複合半金属層を形成し、中間層として用いることができる。
【００４８】
図４(b)に、２つの半金属層を積層した複合半金属層２４を示す。例えば半金属層１として総価電子が23.8の半金属層２１を採用し、半金属層２として総価電子数が24.2の半金属層２２を採用する。
【００４９】
図４(c)に、３つの半金属層を積層した複合半金属層２４を示す。例えば半金属層１として総価電子が23.8の半金属層２１を採用し、半金属層２として総価電子数が24の半金属層２２を採用し、半金属層３として総価電子数が24.2の半金属層２３を採用する。
【００５０】
なお、中間層として使用する複合半金属層は、本発明の構造を有する限り、２層構造及び３層構造に限らず、４層以上の多層構造でも構わない。ただし、各層の膜厚を合計した中間層全体の膜厚が、1nm以上10nm以下であることが望ましい。
【００５１】
次に、濃度勾配層を有する複合半金属層に関して説明する。半金属層と強磁性層とが界面を形成する場合、強磁性層と半金属層の中間に濃度勾配が存在する層を形成することができる。以下では、半金属層にFe2VAlを使用し、強磁性層にFe3Alを使用する場合について説明する。
【００５２】
図５に太線で示すように、理想的な急峻な強磁性／半金属界面構造を有する場合、強磁性層のFeは75原子%であり、半金属層のFeは50原子％となる。この場合において、熱処理等による界面の原子拡散又は原子％の異なる層を製膜することにより、濃度勾配層を半金属層と強磁性層の境界部分に形成することができる。
【００５３】
総膜厚を減少させ、電子の平均自由行程より複合半金属層を薄くするためには、急峻な組成分布が望ましいが、結晶の整合性を高めるためには濃度勾配層を形成することが有利となる。従って、図４(d)に示すように、強磁性固定層２１０と強磁性自由層２００の間に、濃度勾配層２２０と半金属層２０で構成される複合半金属層２４を形成することにより、格子定数の異なる強磁性層と半金属層を滑らかに接合させることができる。これにより、各層間における格子整合性を改善することができる。
【００５４】
このような濃度勾配層２２０は、強磁性/半金属界面を形成した後の熱処理により作製することができる。また、濃度勾配層２２０は、組成の異なる２つ以上のターゲットを用いる場合に、同時にスパッタリングする量又は交互にスパッタリングする量を調整することにより作製することができる。
【００５５】
前述した結晶構造や多層構造は、断面TEM（Transmission Electron Miroscop）等による格子像の観察により、容易に確認することができる。また、電子線回折像において、スポット状パターンやリング状パターンから単結晶の結晶構造を有しているか多結晶の結晶構造を有しているかを確認することができる。多層構造や組成分布は、EDX（Energy Dispersive X-ray spectroscopy）、SIMS(Secondary Ionization Mass Spectrometer)、X線光電子分光等を用いて確認できる。
【００５６】
半金属の特性は、CPP-GMR構造における面積抵抗を測定し、中間層を通常の金属（例えばCu等）よりも高い面積抵抗が得られるかによって確認できる。この他、半金属の特性は、半金属層と同一組成の薄膜を一般的な基板（例えばSi基板）上にスパッタリング等の薄膜作製方法により形成し、当該薄膜の電気抵抗の測定やホール効果の測定によるキャリア密度の評価等により確認できる。
【００５７】
（電子伝導制御のメカニズム）
本発明に係る半金属による電子伝導制御のメカニズムは、スクリーン層などの実空間で電流が流れる領域を制限するものとは異なっている。本発明に係る半金属では、格子整合性の良い強磁性/半金属接合を形成することで、実空間では薄膜全体に電流が流れる一方で、波数空間では伝導チャネルを制限することをメカニズムとする。
【００５８】
[実施例１]
本発明の第１の実施例について説明する。この実施例の場合、基板表面に熱酸化膜を有するSi基板を用い、電極を作製した後、電極上にCPP-GMR膜の要部を作製した。
【００５９】
図６(a)に、本実施例に係る磁気抵抗素子のうち主要な部分の断面構造の模式図を示す。作製した磁気抵抗素子のうち主要部分の詳細は、以下に示す材料と膜厚の通りである。
【００６０】
Ta：3nm(下地層２５０)/Ru：2nm(下地層２５０)/
MnIrCr：6nm(反強磁性層２４０)/CoFe：2nm(強磁性固定層１（２１１）)/
Ru：0.8nm(反平行結合層２３０)/CoFe：4nm(強磁性固定層２（２１２）)/
FeVAl：2.5nm(半金属中間層２０)/CoFe：4nm(強磁性自由層２００)/
Cu：2nm(キャップ層２６０)/Ru：3nm(キャップ層２６０)
作製した試料における面積抵抗は0.2Ωμm2、MR比は100%となり、適度な面積抵抗と高いMR比を実現している。半金属Fe2VAlとして膜厚1.5nmの試料を作製したところ、面積抵抗は減少した。従って、半金属層の膜厚制御により抵抗を調整することができ、適度な面積抵抗を実現できる。
【００６１】
[実施例２]
本発明の第２の実施例について説明する。この実施例も、実施例１の場合と同様、電極上にCPP-GMR膜の主要部分を作製した。なお、第２の実施例における断面構造は、図６(a)と同じである。作製した磁気抵抗素子のうち主要部分の詳細は、以下に示す材料と膜厚の通りである。
【００６２】
Ta：3nm(下地層２５０)/Ru：2nm(下地層２５０)/
MnIrCr：6nm(反強磁性層２４０)/CoFe：2nm(強磁性固定層１（２１１）)/
Ru：0.8nm(反平行結合層２３０)/Co2CrAl：4nm(強磁性固定層２（２１２）)/
Fe2VAl：2.5nm(半金属中間層２０)/Co2CrAl：4nm(強磁性自由層２００)/
Cu：2nm(キャップ層２６０)/Ru：3nm(キャップ層２６０)
発明者は、強磁性固定層及び自由層におけるCo2CrAlを、Co2CrAlの混合ターゲットのスパッタにより、半金属層におけるFe2VAlは、Fe2VAlの混合ターゲットのスパッタにより作製できることを確認した。なお、ホイスラー強磁性金属Co2CrAlの格子定数は5.73Åであり、半金属Fe2VAlの格子定数は5.76Åである。この格子定数の違いは0.5％程度であり、非常に格子整合性の良い構造を作製できる。
【００６３】
[実施例３]
本発明の第３の実施例について説明する。この実施例の場合も、実施例１の場合と同様に、電極上にCPP-GMR膜の主要部分を作製する。第３の実施例における断面構造も、図６(a)と同じである。作製した磁気抵抗素子のうち主要部分の詳細は、以下に示す材料と膜厚の通りである。
【００６４】
Ta：3nm(下地層２５０)/Ru：2nm(下地層２５０)/
MnIrCr：6nm(反強磁性層２４０)/CoFe：2nm(強磁性固定層１（２１１）)/
Ru：0.8nm(反平行結合層２３０)/Co2CrAl：4nm(強磁性固定層２(２１２))/
Fe2V0.9Ti0.1Al：2.5nm(半金属中間層２０)/Co2CrAl：4nm(強磁性自由層２００)/
Cu：2nm(キャップ層２６０)/Ru：3nm(キャップ層２６０)
発明者は、強磁性固定層及び自由層のCo2CrAlを、Co2CrAlの混合ターゲットのスパッタすることにより、半金属層におけるFe2V0.9Ti0.1Alは、Fe2VAl及びTiの混合ターゲットをスパッタにより作製できることを確認した。また、発明者は、Tiのドーピングにより、面積抵抗が変化することを確認した。
【００６５】
[実施例４]
本発明の第４の実施例について説明する。この実施例の場合も、実施例１の場合と同様に、電極上にCPP-GMR膜の主要部分を作製する。図６(b)に、本実施例に係る磁気抵抗素子の主要部分の断面構造の模式図を示す。作製した磁気抵抗素子のうち主要部分の詳細は、以下に示す材料と膜厚の通りである。
【００６６】
Ta：3nm(下地層２５０)/Ru：2nm(下地層２５０)/
MnIrCr：6nm(反強磁性層２４０)/CoFe：2nm(強磁性固定層１（２１１）)/
Ru：0.8nm(反平行結合層２３０)/CoFe：0.5nm(界面磁性層２７０)/Co2MnGe：4nm(強磁性固定層２（２１２）)/
Ru2VAl：2.5nm(半金属中間層２０)/Co2MnGe：4nm(強磁性自由層２００)/CoFe：0.5nm(界面磁性層２７０)/
Cu：2nm(キャップ層２６０)/Ru：3nm(キャップ層２６０)
発明者は、中間層をホイスラー強磁性金属Co2MnGeとし、半金属層をRu2VAlとした磁気抵抗素子を作製できることを確認した。作製した磁気抵抗素子の面積抵抗は0.25Ωμm2、MR比は100%となった。なお、本実施例のように、強磁性固定層と非磁性金属RuやCuとの間に界面磁性層２７０のような強磁性固定層又は自由層とは異なる磁性層を形成すれば、強磁性固定層を構成する原子の拡散を防ぐことができる。従って、本実施例の場合には、強磁性固定層及び自由層が非磁性金属と接合する界面に界面磁性層を形成しても構わない。界面磁性層は、上記の例以外にも、NiFeなどを用いることができる。
【００６７】
[実施例５]
本発明の第５の実施例について説明する。この実施例の場合も、実施例１の場合と同様に、電極上にCPP-GMR膜の主要部分を作製する。図６(c)に、第３の実施例に係る磁気抵抗素子の主要部分の断面構造の模式図を示す。作製した磁気抵抗素子のうち主要部分の詳細は、以下に示す材料と膜厚の通りである。
【００６８】
Ta：3nm(下地層２５０)/Ru：2nm(下地層２５０)/
MnIrCr：6nm(反強磁性層２４０)/CoFe：2nm(強磁性固定層１（２１１）)/
Ru：0.8nm(反平行結合層２３０)/CoFe：0.5nm(界面磁性層２７０)/Co2CrAl：4nm(強磁性固定層２（２１２）)/
Fe2V0.9Ti0.1Al：1nm(半金属層１（２１）)/Fe2V0.9Cr0.1Al：1nm(半金属層２（２２）)/
Co2MnSi：2nm(強磁性自由層２００)/CoFe：0.5nm(界面磁性層２７０)/
Cu：2nm(キャップ層２６０)/Ru：3nm(キャップ層２６０)
発明者は、半金属層１のFe2V0.9Ti0.1Alを、Fe2VAl及びTiの混合ターゲットのスパッタにより、半金属層２のFe2V0.9Cr0.1Alを、Fe2VAl及びCrの混合ターゲットのスパッタにより作製できることを確認した。
【００６９】
[実施例６]
本発明の第６の実施例について説明する。この実施例の場合も、実施例１の場合と同様に、電極上にCPP-GMR膜の主要部分を作製する。図６(ｄ)に、第６の実施例に係る磁気抵抗素子の主要部分の断面構造の模式図を示す。作製した磁気抵抗素子のうち主要部分の詳細は、以下に示す材料と膜厚の通りである。
【００７０】
Ta：3nm(下地層２５０)/Ru：2nm(下地層２５０)/
MnIrCr：6nm(反強磁性層２４０)/CoFe：2nm(強磁性固定層１（２１１）)/
Ru：0.8nm(反平行結合層２３０)/CoFe：0.5nm(界面磁性層２７０)/Co2CrAl：4nm(強磁性固定層２（２１２）)/
Fe2V0.8Ti0.2Al：1nm(半金属層１（２１）)/Fe2VAl：1nm(半金属層２（２２）)/
Fe2V0.8Cr0.2Al：1nm(半金属層３（２３）)/Co2MnSi：2nm(強磁性自由層２００)/CoFe：0.5nm(界面磁性層２７０)/
Cu：2nm(キャップ層２６０)/Ru：3nm(キャップ層２６０)
発明者は、半金属層１のFe2V0.9Ti0.1Alを、Fe2VAl及びTiの混合ターゲットのスパッタにより、半金属層２のFe2VAlをFe2VAlの混合ターゲットのスパッタにより、半金属層３のFe2V0.9Cr0.1AlをFe2VAl及びCrの混合ターゲットのスパッタにより作製できることを確認した。
【００７１】
[実施例７]
前述の実施例では、半金属層にL21 構造が主要な材料となる場合について説明した。しかし、C1b 構造、B1構造を有する化合物を前述した材料や組成に制御したものを半金属層に用いても良い。
【００７２】
[実施例８]
前述の実施例では、主にCoFe合金やフルホイスラー強磁性合金を、強磁性固定層及び自由層に用いる場合について説明した。しかし、強磁性固定層及び自由層として、これら以外のハーフホイスラー強磁性金属その他の強磁性金属も用いても良い。
【００７３】
[実施例９]
前述の実施例では、下地層にTaやRuを用いる場合について説明した。しかし、下地層として、Al、Cu、Cr、Fe、Nb、Hf、Ni、Ta、Ru、NiFe、NiCr、NiFeCrなどの単層膜又はこれら材料の多層膜を用いても良い。
【００７４】
[実施例１０]
前述の実施例では、反強磁性層にMnIrCr(6nm)を用いる場合について説明した。しかし、反強磁性層として、MnIr、MnPt、NiMn、FeMnその他の反強磁性材料を用いても良い。
【００７５】
[実施例１１]
以上の説明では、発明に係る磁気抵抗素子をCPP-GMRを用いた磁気再生ヘッドに適用する場合を主に説明した。しかし、発明に係る磁気抵抗素子は、CPP-GMR素子を用いた各種の磁気装置にも適用することができる。具体的には、MRAM(magnetic random access memory)のような不揮発性メモリや磁気方位センサなどの各種センサ等にも適応可能である。
【００７６】
以下では、発明に係る磁気抵抗素子を磁気再生ヘッドに応用した磁気ディスク装置（図７）とMRAM（図８）の構造例を簡単に説明する。
【００７７】
図７に、磁気ディスク装置７２０の構造例を示す。磁気ディスク装置７２０の筐体７０１には、記録媒体である磁気ディスク７０２が配置される。図７は、マルチディスク構造の場合について表している。従って、１つの磁気ディスク７０２には、１つの磁気ヘッドが配置される。磁気ディスク７０２は、スピンドルモータ７０３によって高速回転される。サスペンション７００の先端には、磁気ヘッド７１０が搭載され、サスペンション７００の根元部分はアーム７０４に接続される。磁気ヘッド７１０は、記録ヘッドと再生ヘッドで構成され、前述した磁気抵抗素子は、再生ヘッドに使用される。アーム７０４は、ロータリーアクチュエータ７０５により磁気ディスク７０２の表面に対して平行の面内を駆動される。ロータリーアクチュエータ７０５によるアーム７０４の駆動制御により、磁気ヘッド７１０は磁気ディスク７０２の所定位置に移動される。なお、磁気ディスク装置７２０には、書き込み情報及び読み込み情報を処理する信号処理用ＬＳＩ（信号処理回路）７０６も配置される。
【００７８】
図８に、MRAM８００の構造例を示す。図８（ａ）に示すように、ＭＲＡＭ８００の基体上には、前述した磁気抵抗素子で構成される記憶素子８０３がマトリクス状に形成される。磁気抵抗素子のうち強磁性自由層の側はビット線８０１に接続され、強磁性固定層の側は選択用トランジスタ８０４のソース・ドレイン電極（主電極の一方）と接続される。選択用トランジスタ８０４のゲート電極（制御電極）はワード線８０２に接続される。なお、選択用トランジスタ８０４は、例えばＭＯＳＦＥＴで構成する。選択用トランジスタ８０４の他方のソース・ドレイン電極（主電極の他方）は接地される。
【００７９】
なお、磁気方位センサは、４個の磁気抵抗素子でブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路の表面上に絶縁膜を介して薄膜のスパイラルコイルを配置することで構成できる。
【符号の説明】
【００８０】
２０：  半金属層
２１：  半金属層１
２２：  半金属層２
２３：  半金属層３
２４：  複合半金属層 
２００：強磁性自由層
２１１：強磁性固定層１
２１２：強磁性固定層２
２２０：濃度勾配層
２３０：反平行結合層
２４０：反強磁性層
２５０：下地層
２６０：キャップ層
２７０：界面磁性層
【図１】
2011122078.tif 000005
【図２】
2011122078.tif 000006
【図３】
2011122078.tif 000007
【図４】
2011122078.tif 000008
【図５】
2011122078.tif 000009
【図６】
2011122078.tif 000010
【図７】
2011122078.tif 000011
【図８】
2011122078.tif 000012
【国際調査報告】
2011122078.tif 000013
2011122078.tif 000014